Il “gemello digitale” è un modello informatico, virtuale, di un elemento reale. 

Oltre agli algoritmi software che lo costituiscono può includere rappresentazioni visuali che aiutano chi lo utilizza a comprenderne il funzionamento ed i risultati, quali ad esempio, diagrammi di flusso o modelli e scansioni 3D mappate con colori diversi in base all’intensità della grandezza che si vuole evidenziare.

A cosa si applica un digital twin

Gli elementi di cui si può costruire il digital twin sono di varia natura:

  • Oggetti: un qualsiasi elemento fisico di cui si voglia studiare il comportamento avvalendosi di una simulazione, da un semplice oggetto di cui si vanno a modellare forma e materiali per fare verifiche di risposta agli stress,  a macchinari con parti elettroniche e meccaniche, con o senza intelligenza a bordo, oppure strutture anche molto complesse, come interi edifici o altre opere di ingegneria civile di cui si voglia ad esempio studiare la risposta ad un sisma.
  • Processi: in riferimento al mondo dell’impresa sono processi i flussi operativi, ovvero le sequenze di azioni che vedono coinvolte figure ed asset aziendali al fine di realizzare un determinato obiettivo: il processo di vendita ad un cliente, il controllo qualità, i processi strategici di misurazione dei risultati e definizione degli obiettivi, la gestione contabile, la ricerca e sviluppo ed il processo produttivo.…
  • Sistemi: sono elementi complessi costituiti da più parti interagenti fra di loro, quali ad esempio un aeroporto oppure un grosso impianto di produzione o ancora un’intera filiera produttiva. In questi casi oltre a modellare le singole sezioni si deve modellare come l’operatività di una parte influisce sulle attività delle altre.
  • Esseri viventi ed ecosistemi: anche il funzionamento degli esseri viventi o i comportamenti di interi ecosistemi possono essere studiati attraverso un modello virtuale.

Sviluppo software su misura HMI progettazione strutture metalliche

Come si realizza un digital twin

Per realizzare un gemello digitale si parte da un’analisi approfondita di ciò che si vuole modellare, analisi che deve veder lavorare insieme gli specialisti IT (informatici, matematici, fisici) che sanno come costruire il modello virtuale, ed i proprietari dell’elemento che si vuole modellare, che hanno la conoscenza specifica dell’elemento e dell’ambiente in cui l’elemento opera.

Un modello “in bit” ben costruito, che tiene conto di tutti gli input rilevanti, che si integra anche con altre applicazioni già presenti per attingere dati di ingresso, e che incorpora gli opportuni modelli matematici, consente di simulare il comportamento dell’elemento reale e di prevederne il comportamento sia al variare del tempo che in scenari ambientali diversi.

Più si hanno chiari gli obiettivi di utilizzo del digital twin, più sarà facile capire quali input ci servono: il digital twin può integrarsi con altre applicazioni già presenti per attingere dati di ingresso e acquisirli inoltre tramite sensori che, se non presenti, devono essere aggiunti al sistema.

Oggi il digital twin può essere reso interagente anche a distanza con il duale fisico grazie all’integrazione di sensori IoT che, tramite la connessione internet, inviano continuamente sul cloud informazioni in tempo reale riguardo allo stato dell’elemento fisico; possono essere sensori di monitoraggio di parametri fisici (temperatura, pressione, umidità, vibrazioni), chimici (ph di un liquido), biologici (battito cardiaco, ossigenazione del sangue), dispositivi di misurazione (ad esempio un contapersone che ci dice quanto è lunga la coda davanti ad uno sportello, una telecamera che rileva il traffico oppure un encoder che misura i giri di un ingranaggio).

Da stabilire come gli utenti interagiranno con il digital twin: utilizzando dispositivi desktop, mobili, in realtà aumentata, tramite hardware deidcati? In base alle risposte, sarà possibile costruire un digital twin adatto alle esigenze di evoluzione aziendale.

I sistemi cyberfisici (o cibernetici)

Dalla connessione fra i due elementi virtuale e reale realizzata attraverso sensori e, come vedremo, anche attuatori, si forma il sistema cyberfisico in cui, sfruttando algoritmi di intelligenza artificiale, il modello virtuale può aggiornarsi ed evolvere in base alle informazioni raccolte, ed effettuare quindi previsioni e simulazioni sempre più accurate.

Un esempio per tutti, Google Maps sta diventando un esteso Gemello Digitale del nostro pianeta: raccoglie informazioni sul traffico grazie agli utenti che lo utilizzano come navigatore e ciò lo rende in grado di prevedere i tempi di percorrenza di un dato tragitto. A questo ha aggiunto i rilievi fotografici con Street View e integra in una “realtà aumentata” le informazioni sulle attività di interesse dell’utente che gli sono intorno, alimentate a loro volta dalle recensioni e dagli input degli utenti stessi.

Nelle soluzioni di industria 4.0 più avanzate il digital twin, basandosi sulle sue previsioni, può inoltre andare a comandare direttamente il suo analogo fisico tramite attuatori elettromeccanici senza l’intervento umano per effettuare correzioni al comportamento dello stesso al fine di evitare scenari indesiderati o guasti.

Per fare degli esempi che fanno già parte del nostro quotidiano una dimostrazione di questo comportamento è data dai sistemi di frenata automatica delle automobili di fronte ad un ostacolo.

Analogamente un pace-maker che interviene autonomamente a ripristinare il segnale cardiaco quando rileva un malfunzionamento del cuore del portatore è di fatto un dispositivo cibernetico: misura acquisendo dati in continuazione, rileva un’anomalia, fa una previsione ed infine agisce modificando lo stato dell’elemento fisico prima che il “guasto” sia irreparabile.

Come può essere utile per la tua azienda?

Ritornando in ambito industriale, l’introduzione dei digital twin a vari livelli può portare molti vantaggi, vediamo quali.

Miglioramento della progettazione 

Il digital twin è a tutti gli effetti un banco di prova virtuale grazie al quale si possono effettuare agilmente test di durata degli oggetti accelerando lo scorrere del tempo per valutare l’usura dei pezzi, o, al contrario, si può andare a dilatare il tempo per investigare a fondo successioni di eventi rapidissime (es. uno scoppio). 

Si possono inoltre simulare materiali diversi, cambiare forme, cambiare gli agenti esterni e vedere qual è la risposta del sistema in situazione difficilmente riproducibili, se non addirittura distruttive, su un campione reale.

Questo è quello che abbiamo fatto in questo progetto in cui grazie ad un’interfaccia software di modellazione combinata con l’analisi fem si può andare a simulare il comportamento di una struttura a seguito di vari tipi di sollecitazioni.

Nuovi modelli di business 

La possibilità di fare previsioni offerta dal gemello digitale consente, ad esempio, di poter offrire servizi di manutenzione pianificata.
Tenendo sotto controllo costante lo stato e le prestazioni di un determinato prodotto sulla base delle informazioni raccolte dal digital twin tramite la sensoristica è inoltre possibile ideare nuovi servizi: secondo il concetto di “servitization” si possono proporre contratti legati allo “sfruttamento” del prodotto in ottica pay-per-use, pay-per-availability, pay-per-performance.

Formazione del personale

l digital twin può essere utilizzato come strumento di formazione e documentazione di un macchinario o di un sistema, e può essere in tal senso abbinato anche a strumenti di realtà aumentata che rendono l’apprendimento più immersivo.

Attività di manutenzione predittiva di macchinari ed impianti

In fase di manutenzione, l’operatore può interagire con il digital twin, comunicare la diagnostica e valutare in tempo reale quanto si discosta il comportamento reale della macchina/impianto/linea di produzione rispetto all’ideale previsto dal gemello digitale. Può inoltre visualizzare anche i documenti e lo storico dei dati relativi a ciò che sta controllando  e analizzare predittivamente le possibili evoluzioni.

Non solo manifattura

Oltre che al già citato mondo dell’industria, i Digital Twin trovano applicazione in svariati settori, dal retail in cui possono essere impiegati per costruire esperienze personalizzate per il cliente, ai trasporti grazie al fatto di poter acquisire dati dai veicoli connessi. Nel settore pubblico possono trovare impiego in sanità e nelle smart cities che con l’avvento del 5G saranno sempre più dotate di dispositivi connessi.

In conclusione, i digital twin e l’Internet of Things hanno un potenziale applicativo molto vasto in qualsiasi settore,  e questo flusso di informazioni digitali può contribuire ad aumentare in generale la qualità di vita delle persone sia in ambito lavorativo che cittadino.

Francesco Ballerini
Software Engineer
Kiwibit

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